进口低温门阀杆梯形螺纹公差的研究

1 概述

    低温阀在液氮和液氧等液态介质的制造、储运和使用过程中得到了广泛的应用。根据不同的介质，低温阀使用温度等级分为≥-46℃、≥-101℃、≥-196℃三个级别。JB/T9081-1999《空气分离设备用低温截止阀和节流阀技术条件》中规定，梯形螺纹的公差等级按GB/T597614规定的9级。该条款是根据试验制订的，适用于各种低温范围和各种低温结构。但是根据经验，制造厂实际采用的梯形螺纹公差远比9级大得多。由此可见，有必要通过理论分析，确定低温阀相关标准中对阀杆螺纹副公差等级规定的合理性。

2 分析

    为了适应低温阀的使用工况，梯形螺纹副的材料都是特殊选择的，螺母的材料与螺杆的材料不同，多数螺杆用304不锈钢，螺母用青铜或黄铜。由于材料不同，所以线膨胀系数也不一致。常温条件下加工的梯形螺纹副零件在低温条件下使用会产生径向和轴向收缩，使螺距产生误差，在螺杆螺纹的总长度内螺距产生较大的累积误差，使螺纹副间隙减小，可能使螺杆的运动发生困难。通常，普通机床丝杠的梯形螺纹副采用8e精度，因此低温阀在最低使用温度下的梯形螺纹副间隙只要不小于常温下8e精度的配合间隙（表1），就能确保阀门开关顺利。

表1 DN40的低温截止阀梯形螺纹副公差   mm

3 材料的低温膨胀系数

    低温时材料的线膨胀系数，见表2。以DJF40低温截止阀为例，计算其在-196℃时梯形螺纹副螺距与轴向间隙的变化。梯形螺纹副大径、中径和小径的中间公差如图1所示。    

图1 常温下DJF40阀杆螺纹副轴向和径向平均间隙

表2 金属的线膨胀系数

    表2中A是从基本温度560°R变化到上表的任意温度时长度上的变化，B是显示的线膨胀系数。

        （1）

        （2）

    A和B的单位为m/m或in./in.，温度的单位为m/（m°R）或in.  /（in.°R）。

    三种温度的转换公式为

          （3）

        （4）

    低温下，大径18mm的黄铜螺母的径向收缩量△L1'和大径18mm的304不锈钢螺杆的径向收缩量△L2'可根据式（1）推导，则

    螺纹副径向收缩的差值△L3'为

    由于径向收缩有差值，使螺纹副在低温下单侧的轴向间隙减少了△L'（图2）。

图2 径向收缩对轴向间隙的影响

    △L'=（△L3'/2）×tg15°=0.00154mm

    在DJF40梯形螺纹副中，螺杆的长度为20mm，为考虑螺距的累积误差对传动的影响，取L560=20mm。黄铜螺母的轴向收缩量△L1''和304不锈钢螺杆的轴向收缩量△L2''按式（1）推导，则

    在螺杆全长上线膨胀的差值△L3''是低温下螺距的累积误差

    根据标准公差计算出不同精度等级的螺纹副在低温下的轴向间隙见表3。

表3 不同精度等级的螺纹副在低温下的轴向间隙    mm

4 结语

    DN40的低温阀用黄铜和不锈钢阀杆梯形螺纹副，即使在-196℃的最低温度工况下，螺纹间隙的最大减小量是0.0158mm，精度等级9c的梯形螺纹副在低温时的传动间隙比常温下精度等级8e的传动间隙还要大0.026mm，因此可以确认，标准JB/T9081-1999所订的低温阀梯形螺纹公差等级按梯形螺纹9级是合理的，无必要过分地加大螺纹副的间隙。